Wasserturbinendesign für kleine Wasserkraft

Wasserkraftsysteme verwenden verschiedene Arten von Wasserturbinenkonstruktionen, um eine Drehbewegung bei mittlerer bis hoher Drehzahl zu erzeugen. Auch Wasserturbinen, oder genauer gesagt Wasserturbinen, können als Teil eines Wasserkraft-Heimsystems verwendet werden, indem ein elektrischer Generator installiert wird.

Im Gegensatz zu einer Wasserpumpe, die mechanisch von einem Elektromotor oder einer Windkraftanlage angetrieben wird und das Wasser durch Saugwirkung hindurchpumpt, verwendet eine typische Wasserturbinenkonstruktion Düsen und einen unterschiedlichen Wasserdruck, um eine mechanische Rotation und Leistung zu erzeugen.

Mit anderen Worten, eine Wasserturbine wandelt Wasserdruckenergie in mechanische Energie um. An dieser Stelle ist es wichtig, den Unterschied zwischen einem Wasserturbinendesign zu verstehenund ein Wasserrad-Design, das wir uns im vorherigen Tutorial angesehen haben.

Ein Wasserrad ist ein einfaches, aber großes kreisförmiges Rad aus Holz oder Metall, an dessen Umfang Eimer angebracht sind und das sich langsam dreht, wenn das Wasser darüber oder darunter fließt Es erzeugt viel mechanisches Drehmoment, um Hilfsmaschinen anzutreiben. Eine Wasserturbine hingegen ist eine viel kleinere, leichte Gusseisen- oder Stahlmaschine, in der die kinetische Energie des Wassers durch den Einsatz richtig platzierter Druckdüsen in mechanische Energie umgewandelt wird.

Typisches Wasserturbinendesign

Die Wasserturbine ist das Herzstück eines jeden Wasserkraftwerks. Es besteht aus einer Reihe von Metall- oder Kunststoffklingen, die an einer zentralen rotierenden Welle oder Platte befestigt sind. Wasser, das durch das Gehäuse der umschlossenen Turbine fließt, trifft auf die Schaufeln der Turbine, erzeugt ein Drehmoment und bringt die Welle aufgrund der Geschwindigkeit und des Drucks des Wassers zum Drehen. Wenn das Wasser gegen die Turbinenschaufeln drückt, verringern sich seine Geschwindigkeit und sein Druck (Energie geht verloren), wenn es die Turbinenwelle dreht.

Als typisches „Wasserturbinendesign“; hat viel mehr Blätter an dieser zentralen Welle, diese Rotation bewirkt, dass das nächste Blatt dahinter mit dem eintretenden Wasserdruck in Kontakt kommt, wodurch sich die Turbine noch mehr dreht und so weiter.

Während sich die Turbine weiterdreht, wird das Wasser zwischen den Turbinenschaufeln eingeschlossen und durch die Rotationsbewegung der Turbine mitgenommen. Irgendwann entlang des Rotationswinkels der Turbinenschaufeln trifft das Wasser auf eine Öffnung im Gehäuse, die sich normalerweise in der Mitte befindet, wodurch das Wasser austreten und in den Fluss oder Bach zurückkehren kann, von wo es ursprünglich kam >

Dieses Abwasser kann auf verschiedenen Strömungswegen durch den Körper einer Wasserturbine strömen, und basierend auf dem tatsächlichen Weg des Wasserflusses durch die Turbine können moderne Wasserturbinenkonstruktionen kategorisiert werden als:

• Axialströmungsturbinen – Der Wasserströmungsweg durch eine Axialströmungs-Wasserturbinenkonstruktion ist parallel zur Rotationsachse, wenn es von der Seite in das Turbinenrad eintritt.
• Radialströmungsturbinen – Der Wasserströmungspfad durch eine Radialströmungs-Wasserturbinenkonstruktion verläuft senkrecht zur Rotationsachse der Turbine, wenn sie von oben in das Turbinenrad eintritt.

Heutzutage werden viele verschiedene Wasserturbinenkonstruktionen verwendet, wobei jede Art ihre eigenen Vor- und Nachteile hat, abhängig von ihren Betriebsanforderungen. Die Auswahl des richtigen Wasserturbinendesigns ist sehr wichtig für den Erfolg jedes kleinen oder großen Wasserkraftsystems.

Die optimale mechanische Leistungsabgabe der rotierenden Turbinenwelle hängt von einer bestimmten Kombination aus Fallhöhe, Wasservolumen und Wasserdruck ab, die in die Turbinenschaufeln eindringt, was nur durch die Auswahl des richtigen Wasserturbinentyps für eine bestimmte Installation erreicht werden kann. Basierend auf der tatsächlichen Änderung des Wasserdrucks, wie er vom Turbinenrad verwendet wird, können moderne Wasserturbinenkonstruktionen kategorisiert werden als:

• Design der Reaktionsturbine – bei dieser Art von Wasserturbinendesign sind die Turbinenschaufeln vollständig in den Wasserstrom eingetaucht und in einem unter Druck stehenden Gehäuse eingeschlossen. Eine Reaktionsturbine wird hauptsächlich durch die Druckänderung angetrieben, die als "Druckabfall" über den Gehäusekörper, da diese Verringerung des Wasserdrucks und der Geschwindigkeit Energie freisetzt, die eine Reaktion (daher der Name) durch Bewegen der Turbinenschaufeln verursacht. Der Wasserfluss durch eine Reaktionsturbine kann aufgrund des Winkels der inneren Schaufeln umgekehrt werden, sodass eine Reaktionsturbine auch zum Pumpen von Wasser verwendet werden kann und umgekehrt.
• Impulsturbinen-Design – bei dieser Art von Wasserturbinendesign trifft der Wasserstrom aus einem oder mehreren Wasserstrahlen, die als Düsen bekannt sind, auf die Turbinenschaufeln. Diese Düsen wandeln das unter Druck stehende Wasser mit niedriger Geschwindigkeit in einen Wasserstrahl mit hoher Geschwindigkeit um, der direkt auf die gebogenen löffel- oder eimerförmigen Schaufeln der Turbine gerichtet ist und eine maximale Kraft auf die Schaufeln erzeugt. Die mechanische Leistung einer Impulsturbine wird aus der kinetischen Energie der Wasserströmung abgeleitet. Eine Impulsturbine arbeitet in einem vollständig offenen oder halboffenen Gehäuse, daher gibt es keinen Druckabfall über der Impulsturbine und aufgrund ihrer Strahlkonstruktion mit offener Düse kann sie nicht umgekehrt werden.

Arten des Wasserturbinendesigns

Neben der Betriebsweise einer Wasserturbine werden Wasserturbinen häufig auch durch das Design, den Aufbau und die Anordnung ihrer Schaufeln innerhalb des eigentlichen Turbinenkörpers bezeichnet. Namen wie: “Pelton-Turbinen”, “Turgo-Turbinen” oder “Kaplan-Turbinen” alle beziehen sich auf den Namen des Konstrukteurs und/oder Erfinders dieser bestimmten Wasserturbinenkonstruktion. Im Folgenden sind einige der gebräuchlicheren Arten von Wasserturbinenkonstruktionen aufgeführt. Aber bevor wir uns die verschiedenen Arten von Wasserturbinen ansehen, die es gibt, müssen wir zuerst etwas von dem „Jargon“ verstehen; in Verbindung mit Wasserturbinen.

Das Wort Kopfist der Begriff, der in Wasserkraftanwendungen verwendet wird, um die vertikale Entfernung zu definieren, die das Wasser von einer höheren Erhebung zu einem niedrigeren Punkt fallen muss, um seine gespeicherte potenzielle Energie freizusetzen. Die Differenz zwischen diesen beiden Erhebungen (je höher minus desto niedriger) wird als "Kopf" bezeichnet. des Systems.

Im Allgemeinen bedeutet in Wasserkraft- und Wasserkraftsystemen eine niedrige Fallhöhe eine vertikale Entfernung von weniger als 100 Fuß (ca. 30 Meter), eine mittlere Fallhöhe bedeutet eine vertikale Entfernung zwischen 100 und 500 Fuß (30 bis 150 Meter), während eine hohe Fallhöhe eine vertikale Entfernung von mehr als 500 Fuß (150 Meter) bedeutet.

Die im Wasserkraftsystem verfügbare Förderhöhe bestimmt die vom Wasser verfügbare Energiemenge, da die Leistung proportional zu Förderhöhe x Durchfluss ist. Der Wasserdurchfluss durch die Turbine wird normalerweise in Litern pro Sekunde (ltr/s) oder Kubikmetern pro Sekunde (m3/s) ausgedrückt und bezieht sich auf die Menge oder das Volumen des Wassers, das von der Turbine zum Drehen der Welle verwendet wird. p>

Design der Pelton-Wasserturbine

Design der Pelton-Turbine

Eine Pelton-Wasserturbine, auch als Pelton-Rad bekannt und nach ihrem Erfinder Lester Pelton benannt, ist das am weitesten verbreitete offene Turbinenraddesign. Die Pelton-Turbine ist eine kreisförmige Impulsturbine, bei der der Umfang des äußeren Rands des Rads von einer Reihe kleiner, gekrümmter Schalen oder Eimer in gleichen Abständen umgeben ist, die das Wasser auffangen.

Die Energie des Wassers wird diesen löffelförmigen Bechern mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit durch eine oder mehrere am Umfang des Rades angeordnete Düsen zugeführt. Jede Düse erzeugt einen Wasserstrahl, der direkt auf die einzelnen Tassen gerichtet ist.

Diese löffelförmigen Becher sind in zwei Hälften geformt, sodass sich die Wassermenge halbiert, wenn der Wasserstrahl abwechselnd auf die Mitte jedes Bechers trifft. Jede Hälfte des Wassers fließt um fast 180° um die eigene gebogene Form des Bechers herum und wird zurück in die Richtung abgelenkt, aus der es gekommen ist, wodurch eine Druckkraft gegen den Becher entsteht.

Dann wird die potenzielle Energie erzeugt durch den Wasserstrahl wird durch diese Düsen in kinetische Energie umgewandelt und fast die gesamte Energie des sich bewegenden Wassers geht in den Antrieb der Tassen. Die Wasserstrahlen aus den Düsen drücken gegen die Tassen der Turbine, wodurch sich das Rad dreht, wodurch Drehmoment und Leistung erzeugt werden.

Abhängig von der verfügbaren Wassersäule und der Anzahl der tangential um das Rad positionierten Düsen kann die Geschwindigkeit und Richtung der aus diesen Düsen kommenden Wasserstrahlen so gesteuert werden, dass eine konstante langsamere Geschwindigkeit ermöglicht wird, die ideal für die Stromerzeugung ist. Dann kann die Geschwindigkeit einer Pelton-Turbine gesteuert werden, indem der Wasserfluss zu den Bechern oder Eimern durch die Düsen angepasst wird.

Die Pelton-Turbine ist eine Freiströmungsaktion, die in atmosphärischer Luft läuft, wenn Wasserstrahlen die Düsen mit hoher Geschwindigkeit, aber bei atmosphärischem Druck verlassen. Das Abwasser verlässt die Becher auch mit atmosphärischem Druck, was es zu einer Impulsturbine macht, da es keinen Druckabfall über der Turbine gibt. Bei einem Pelton-Turbinendesign beträgt die Winkelgeschwindigkeit der Schalen knapp die Hälfte der Geschwindigkeit des Strahls/der Strahlen. Daher ist diese Art von Wasserturbinenkonstruktion hochgeschwindigkeits- und laufruhig und eignet sich daher besser für Bedingungen mit hoher Fallhöhe und geringem Wasservolumen.

Turgo-Wasserturbinenkonstruktion

Turgo-Turbinendesign

Die Turgo-Wasserturbine, ist eine weitere Wasserturbinenkonstruktion vom Impulstyp, bei der ein Wasserstrahl auf die Turbinenschaufeln trifft. Das turgo-Turbinendesign ähnelt dem vorherigen Pelton-Rad, aber diesmal trifft der Wasserstrahl aus der Düse eine Reihe gekrümmter oder abgewinkelter Schaufeln anstelle von Bechern oder Eimern von der Seite in einem flachen Winkel von etwa 20o statt tangential, so dass das Wasser auftrifft trifft die abgewinkelte Klinge von einer Seite und tritt auf der anderen aus. Diese gekrümmten Schaufeln fangen das Wasser auf, wenn es durch die Turbine fließt, wodurch sich die Turbinenwelle dreht.

Da die Strömung des Wassers durch das Turbinenrad in einem Winkel eintritt und in einem anderen austritt, wird die Strömung des eintretenden Wasserstrahls nicht durch das austretende Abwasser behindert, wie dies bei Peltonturbinen der Fall ist, was eine höhere Strömungsgeschwindigkeit ermöglicht . Aufgrund dieser höheren Durchflussrate kann eine Turgo-Turbine bei gleicher Leistungsabgabe ein Rad mit viel kleinerem Durchmesser als ein äquivalenter Pelton haben, wodurch sie sich mit höheren Geschwindigkeiten drehen kann. Das Turgo-Rad ist jedoch weniger effizient als das vorherige Pelton-Rad.

Francis Water Turbine Design

Francis Turbine Design

Die Francis-Wasserturbine, benannt nach seinem Erfinder James Francis, ist eine Wasserturbinenkonstruktion vom Radialströmungsreaktionstyp, bei der die gesamte Turbinenradbaugruppe in Wasser eingetaucht und von einem unter Druck stehenden Spiralgehäuse umgeben ist. Wasser tritt unter Druck in das Gehäuse ein und wird durch einen Satz fester oder einstellbarer Schlitze, sogenannte Leitschaufeln, um das Gehäuse geleitet, die den Wasserfluss im richtigen Winkel zu den Turbinenschaufeln leiten.

Das Wasser prallt gegen a Satz gekrümmter Turbinenschaufeln, die auf einer Welle montiert sind und über diese gleiten, wodurch sie die Richtung ändern und aufgrund der Zentrifugalkraft Druck auf die feststehenden Schaufeln ausüben, wodurch sie sich drehen. Das Wasser tritt radial fast tangential in die Turbinenschaufeln ein, aber um die Effizienz zu erhöhen, ändert das Wasser seine Richtung innerhalb des Turbinenrads und tritt parallel (axial) mit der Rotationsachse mit reduzierter Geschwindigkeit aus.

Eine Francis-Turbine ist eine untergetauchte Turbine ähnlich einer Propellerturbine, die Wasserdruck und kinetische Energie nutzt, um die Blätter zu drehen. Die Energie aus der Strömung des Wassers wird in Form von Drehmoment und Rotation auf die Ausgangswelle der Turbine übertragen. Die inneren Schaufeln der Turbine sind feststehend und können nicht eingestellt werden. Um eine konstante Turbinendrehzahl aufrechtzuerhalten, wird die Wasserdurchflussrate durch Ändern des Winkels der Leitschaufeln des Gehäuses eingestellt.

Die Francis-Turbine ist für Anwendungen mit niedriger bis mittlerer Fallhöhe geeignet, erfordert jedoch eine relativ große Wassermenge. Je nach Anwendung kann die Turbinenwelle einer Francis-Turbine horizontal oder vertikal montiert werden.

Kaplan-Wasserturbinen-Design

Kaplan-Turbinen-Design

Die Kaplan-Wasserturbine, benannt nach ihrem österreichischen Erfinder Victor Kaplan, ist eine Wasserturbine vom Axialströmungsreaktionstyp, die einem Schiffspropeller sehr ähnlich sieht. Daher wird die Kaplan-Turbine auch als Propeller-Turbine bezeichnet.

Der propellerförmige Rotor des Kaplan hat zwei oder mehr feste oder verstellbare Blätter. Ähnlich wie die vorherige Francis-Turbine kann auch die Kaplan-Turbine einen Satz fester oder verstellbarer Leitschaufeln um den Einlass der Turbine herum haben, um ihre Drehzahl zu steuern.

Der Betrieb einer Kaplan-Turbine ist umgekehrt zu dem eines Schiffspropellers. Über die Einlassschaufeln tritt das Wasser in radialer Richtung in den Turbinenkanal ein. Der Winkel und die Position dieser Schaufeln bewirken, dass das Wasser wirbelt und innerhalb des umschlossenen Kanals einen Wirbel erzeugt, der eine Kraft auf die winkelförmigen Propellerblätter ausübt. Da die verdrehten Rotorblätter der Propeller in diesem Durchgang an einer zentralen Welle befestigt sind, überträgt die Kraft des wirbelnden Wassers, das gegen die Blätter drückt, Energie auf die Blätter, wodurch eine Drehung und ein Drehmoment erzeugt wird.

Einer der Hauptvorteile von B. die Kaplan-Turbine, ist, dass sie in Anwendungen mit sehr geringer Fallhöhe eingesetzt werden können, vorausgesetzt, es gibt ausreichend große Wasserdurchflussraten durch die Turbine, ohne dass Dämme und Wehre erforderlich sind, was zu vernachlässigbaren Auswirkungen auf die Umwelt führt.

Je nach Menge oder Schwankung der durch die Turbine fließenden Wassermenge kann die Steigung (Anstellwinkel) der Propellerblätter angepasst werden, was eine bessere Kontrolle des Wasserflusses und eine Steigerung der Effizienz ermöglicht. Verstellbare Propellerblätter erhöhen jedoch die Komplexität der Konstruktion einer Kaplan-Turbine.

Querstrom-Wasserturbinen-Design

Querstrom-Turbinen-Design

Die Querstrom-Wasserturbine, später auch als Michell-Banki-Turbine bekannt seines Herstellers, ist eine weitere Wasserturbinenkonstruktion vom Impulstyp, bei der das Wasser quer über die Schaufeln auf die Turbinenschaufeln trifft.

Querstromturbinen verwenden einen zylindrischen trommelförmigen Rotor, ähnlich dem Wasserrad eines alten Dampfschiffs mit Schaufelrädern, das eine Reihe von Schaufeln oder Lamellen hat, die Läufer genannt werden und je nach Größe des Turbinenrads längs um den Umfang des Rotors installiert sind kann einen Durchmesser von bis zu zwei Metern haben.

Das Wasser wird diesen Lamellen durch eine einzelne oder doppelte vertikale rechteckige Düse zugeführt, um einen Wasserstrahl über die gesamte Länge des Laufrads zu treiben. Diese Düsen leiten das Wasser im optimalen Winkel zu den Läufern, wodurch sie sich bewegen und die potenzielle Energie des Wassers in kinetische Energie umwandeln.

Nachdem das Wasser auf die erste Klinge auftrifft und seine Energie verbraucht hat, tropft es durch die Trommel und tritt auf der gegenüberliegenden Seite aus. Dann nutzt die Querstromturbine die Energie des Wassers zweimal, einmal von oben und einmal von unten, um das Turbinenrad um seine Mittelachse zu drehen, was für zusätzlichen Wirkungsgrad sorgt.

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Der Hauptvorteil der Querstromturbine besteht darin, dass sie ihren Wirkungsgrad bei wechselnden Last- und Wasserströmungsbedingungen beibehält. Auch aufgrund ihres relativ einfachen Aufbaus, ihrer guten Regulierung und ihres Betriebs mit einer sehr niedrigen Wassersäule sind Querstrom-Wasserturbinen ideal für den Einsatz in Mini- und Mikro-Wasserkraftsystemen.

Die Auswahl der Besten Typ des Wasserturbinendesigns

Die Auswahl des besten Typs des Wasserturbinendesigns für Ihre spezielle Situation hängt oft von der Höhe der Druckhöhe und der Durchflussrate ab, die an Ihrem speziellen Standort verfügbar sind, und davon, ob sie sich neben a befindet Fluss oder Bach, oder das Wasser soll direkt zu Ihrem Standort geleitet oder geleitet werden.

Andere Faktoren sind, ob Sie ein geschlossenes "Reaktionsturbinendesign" wie die Francis-Turbine oder ein offenes “Impulsturbinendesign” wie die Pelton-Turbine sowie die Rotationsgeschwindigkeit Ihres vorgeschlagenen elektrischen Generators.

Durch die Analyse all dieser Faktoren Zusammen können Sie einen Hinweis darauf erhalten, welche Art von Wasserturbinendesign für Ihre spezielle Situation am besten geeignet ist. Wenn Sie beispielsweise den Unterschied zwischen einer Pelton- und einer Francis-Turbine kennen, wird Ihnen die Wahl leichter fallen.

Die folgende Tabelle gibt eine grundlegende Vorstellung davon, welches spezielle Wasserturbinendesign, das wir oben besprochen haben, am besten in Abhängigkeit von der verfügbaren Fallhöhe und dem Wasserdruck funktioniert.

Turbinendesign gegen den Falldruck

Wasserturbinentyp	Kopfwasserdruck
	Hoch  →	Mittel  →	Niedrig
Impulstyp Wasserturbinendesign	Mehrstrahl-Pelton, Turgo	Pelton, Turgo, Querstrom	Querströmung
Reaktionstyp Wasserturbinendesign	Francis	Francis , Kaplan	Kaplan

Aus der obigen Tabelle können wir ersehen, dass es eine Überschneidung zwischen Pelton- und Querstromturbinen und wiederum zwischen Francis- und Kaplanturbinen gibt. Das bedeutet, dass beide Turbinentypen für solche Kombinationen aus Fallhöhe und Strömung geeignet sind.

Eine Alternative zu den oben aufgeführten verschiedenen Arten von Wasserturbinen ist die Verwendung von Standardwasserpumpen als Wasserturbinen. Die umgekehrte Verwendung von Wasserpumpen als Wasserturbinen für kleine Wasserkraftwerke ist aufgrund ihrer Verfügbarkeit und geringen Kosten zu einer beliebten Alternative zu den teureren Wasserturbinen geworden.

Leider hat die Verwendung von Wasserpumpen als Wasserturbinen einige wenige Nachteile, wie z. B., dass ihr Wirkungsgrad im Vergleich zu Turbinen mit der gleichen Förderhöhe stark reduziert ist und dass Pumpen, die als Turbinen verwendet werden, empfindlicher auf Kavitation und Betriebsbereich reagieren.

Der Hauptunterschied zwischen dem Betrieb einer Pumpe als Turbine besteht darin, dass das zur Pumpe fließende Wasser durch die Kopfhöhe bestimmt wird, die nicht gesteuert wird, während eine Wasserturbine die Durchflusssteuerung durch die Düsen und Schaufeln hat, was eine ist der Gründe für die höheren Kosten.

Ein letzter Gedanke: Wenn die Wasserturbine mit einem elektrischen Generator verwendet werden soll, um die mechanische Energie der Turbine in elektrische Energie umzuwandeln, kann ein Getriebe oder ein Riemenscheibensystem erforderlich sein die Drehzahl der Turbine kann im Vergleich zu der vom Generator benötigten Drehzahl zu niedrig sein.

Im nächsten Wasserkraft-Tutorial werden wir uns ansehen Kleinstwasserkraftwerke zur Erzeugung von Strom aus Wasserkraft. Für weitere Informationen über das Design von Wasserturbinen und wie Sie mithilfe der Kraft des Wassers Ihren eigenen Strom erzeugen, oder um mehr Informationen über Wasserkraft über die verschiedenen verfügbaren Turbinendesigns zu erhalten oder um die Vor- und Nachteile von Wasserkraft zu erkunden Klicken Sie hier, um noch heute Ihr Exemplar bei Amazon zu bestellen und erfahren Sie, wie man einen Wasserturbinengenerator und andere Arten von Wasserturbinendesigns baut.